JP2017157830A - Piezoelectric ceramic plate, plate-like substrate, and electronic component - Google Patents

Piezoelectric ceramic plate, plate-like substrate, and electronic component Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric ceramic plate, a plate-like substrate, and an electronic component which are less deformed by firing.SOLUTION: The piezoelectric ceramic plate whose principle surface is circular includes a plurality of crystal grains, a pair of principal surfaces 1c and side surfaces. At least one of side surfaces 1d and 1h are baked-up faces. When an average particle diameter of crystal grains located in the vicinity of a surface center of gravity G of the principle surfaces 1c is denoted as D1, and an average grain size of the crystal grains located in the vicinity of the side surfaces 1d and 1h as the baked-up face is denoted as D2, a ratio of D2 to D1 (D2/D1) is in a range of 0.9 to 1.1.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、圧電磁器板および板状基体ならびに電子部品に関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric ceramic plate, a plate-like substrate, and an electronic component.

圧電磁器板は、圧電現象を介して発生する変位や力を機械的駆動源として利用する圧電アクチュエータ等、種々の電子部品に用いられている。圧電アクチュエータは、その用途が拡大するに従い、より低電圧で、より大きな変位や発生力が得られる積層圧電アクチュエータが多く使われるようになってきた。   Piezoelectric ceramic plates are used in various electronic components such as piezoelectric actuators that use displacement and force generated through a piezoelectric phenomenon as a mechanical drive source. As the use of piezoelectric actuators expands, multilayer piezoelectric actuators that can obtain larger displacement and generated force at a lower voltage have been increasingly used.

従来、焼成後における圧電磁器板の変形(収縮ばらつき)が大きかったため、圧電磁器板の形状、寸法を所定範囲内に制御すべく、焼成後に圧電磁器板の切断、研磨等の加工を行っていた(例えば、特許文献1を参照)。   Conventionally, since the deformation (shrinkage variation) of the piezoelectric ceramic plate after firing was large, processing such as cutting and polishing of the piezoelectric ceramic plate was performed after firing in order to control the shape and dimensions of the piezoelectric ceramic plate within a predetermined range. (For example, see Patent Document 1).

特開平3−54878号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-54878

しかしながら、従来では、上記したように、圧電磁器板の形状や寸法を所定範囲内に制御すべく、焼成後に切断したり、研磨したりしていたため、工程が増加し、製造コストも高くなるという課題があった。   However, conventionally, as described above, since the shape and dimensions of the piezoelectric ceramic plate were controlled after being fired in order to control the shape and dimensions of the piezoelectric ceramic plate, the number of processes was increased and the manufacturing cost was increased. There was a problem.

本発明は、焼き上げ状態における圧電磁器板の変形が少なく、焼成後の加工を低減できる圧電磁器板および板状基体ならびに電子部品を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a piezoelectric ceramic plate, a plate-like substrate, and an electronic component that are less deformed in a baked state and can reduce processing after firing.

本発明の圧電磁器板は、複数の結晶粒子を有するとともに、一対の主面および該主面間に位置する側面を具備し、少なくとも一つの前記側面が焼き上げ面であり、前記主面の面重心近傍に位置する前記結晶粒子の平均粒径をD1とし、前記焼き上げ面である側面近傍に位置する前記結晶粒子の平均粒径をD2としたとき、D1に対するD2の比(D2/D1)が、0.9〜1.1の範囲である。   The piezoelectric ceramic plate of the present invention has a plurality of crystal grains, and has a pair of main surfaces and a side surface located between the main surfaces, at least one of the side surfaces being a baked surface, and the center of gravity of the main surface. When the average particle diameter of the crystal particles located in the vicinity is D1, and the average particle diameter of the crystal particles located in the vicinity of the side surface that is the baked surface is D2, the ratio of D2 to D1 (D2 / D1) is: It is in the range of 0.9 to 1.1.

本発明の板状基体は、上記の圧電磁器板内に内部電極を有する。   The plate-like substrate of the present invention has an internal electrode in the piezoelectric ceramic plate.

本発明の電子部品は、上記の板状基体の表面に配置された表面電極と、前記内部電極に接続され、前記圧電磁器板の厚み方向に延びて前記板状基体の表面に引き出されたビアホール導体と、を具備する。   The electronic component according to the present invention includes a surface electrode disposed on the surface of the plate-like substrate and a via hole connected to the internal electrode and extending in the thickness direction of the piezoelectric ceramic plate and drawn to the surface of the plate-like substrate. And a conductor.

本発明の電子部品は、上記の板状基体と、前記内部電極に接続された外部電極とを具備するとともに、前記圧電磁器板が、加工面を有する前記側面を具備し、該加工面に前記外部電極が配置されている。   An electronic component according to the present invention includes the plate-shaped substrate and an external electrode connected to the internal electrode, and the piezoelectric ceramic plate includes the side surface having a processing surface, and the processing surface includes the side surface. External electrodes are arranged.

本発明の圧電磁器板によれば、圧電磁器板の変形が少なく、焼成後の加工を低減できる。また、本発明の板状基体、電子部品によれば、製造コストを低減できる。   According to the piezoelectric ceramic plate of the present invention, deformation of the piezoelectric ceramic plate is small, and processing after firing can be reduced. Moreover, according to the plate-shaped substrate and electronic component of the present invention, the manufacturing cost can be reduced.

圧電磁器板を示すもので、(a)は矩形状の主面を有する場合の斜視図、(b)は円形状の主面を有する場合の斜視図である。FIG. 2 shows a piezoelectric ceramic plate, in which (a) is a perspective view in the case of having a rectangular main surface, and (b) is a perspective view in the case of having a circular main surface. (a)は圧電磁器の組織を示す説明図、(b)は側面から主面までの表面の一例を示す走査型電子顕微鏡写真である。(A) is explanatory drawing which shows the structure | tissue of a piezoelectric ceramic, (b) is a scanning electron micrograph which shows an example of the surface from a side surface to a main surface. 結晶粒径の測定位置を説明するもので、(a)は主面が矩形状の圧電磁器板の平面図、(b)は主面が円形状の圧電磁器板の平面図である。In order to explain the measurement position of the crystal grain size, (a) is a plan view of a piezoelectric ceramic plate having a rectangular main surface, and (b) is a plan view of a piezoelectric ceramic plate having a circular main surface. 圧電磁器板の変形量について説明するもので、(a)は主面が略矩形状の圧電磁器板の平面図、(b)は主面が台形状の圧電磁器板の平面図である。The amount of deformation of the piezoelectric ceramic plate will be described. (A) is a plan view of a piezoelectric ceramic plate having a substantially rectangular main surface, and (b) is a plan view of a piezoelectric ceramic plate having a trapezoidal main surface. 平面度に関する説明図である。It is explanatory drawing regarding flatness. 電子部品の第1の実施形態を模式的に示すもので、(a)は概略平面図、(b)は(a)のA−A線断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS 1st Embodiment of an electronic component is shown typically, (a) is a schematic plan view, (b) is the sectional view on the AA line of (a). 電子部品の第2の実施形態を示すもので、(a)は概略縦断面図、(b)は概略横断面図である。The 2nd Embodiment of an electronic component is shown, (a) is a schematic longitudinal cross-sectional view, (b) is a schematic cross-sectional view.

(圧電磁器板)
図1(a)に示す圧電磁器板1は、対向するほぼ平行な一対の辺1a、他の一対の辺1bを有する長方形状の一対の主面1cと、対向する一対の第1側面1dおよび対向する一対の第2側面1eを有している。一対の第1側面1dを構成する主面1c側の辺は、主面1cの辺1aである。これにより、一対の第1側面1dはほぼ平行となっている。
(Piezoelectric plate)
A piezoelectric ceramic plate 1 shown in FIG. 1A includes a pair of rectangular main surfaces 1c having a pair of substantially parallel sides 1a facing each other, another pair of sides 1b, a pair of first side surfaces 1d facing each other, and It has a pair of 2nd side surface 1e which opposes. The side on the main surface 1c side that constitutes the pair of first side surfaces 1d is the side 1a of the main surface 1c. Thereby, a pair of 1st side surfaces 1d are substantially parallel.

図1(b)に示す圧電磁器板1は、円形状の一対の主面1cと、一方の主面1cの外周1fともう一方の主面1cの外周1gとをつなぐ側面1hを有している。   The piezoelectric ceramic plate 1 shown in FIG. 1B has a pair of circular main surfaces 1c, and a side surface 1h that connects an outer periphery 1f of one main surface 1c and an outer periphery 1g of the other main surface 1c. Yes.

そして、圧電磁器板1は、図2(a)に示すように、複数の結晶粒子2と、結晶粒子2間に存在する結晶粒界3と、を有するものである。   The piezoelectric ceramic plate 1 has a plurality of crystal grains 2 and crystal grain boundaries 3 existing between the crystal grains 2 as shown in FIG.

図1(a)の一対の主面1cと一対の第1側面1d、および図1(b)の一対の主面1cと側面1hは、図2(b)に示すように、焼き上げ面である。なお、図2(b)は、長方形状の主面1cと第1側面1dとが確認できるように、主面1cの斜め上から、図1(a)に示す圧電磁器板1の表面を観察した透過型電子顕微鏡(SEM)写真である。   A pair of main surfaces 1c and a pair of first side surfaces 1d in FIG. 1 (a) and a pair of main surfaces 1c and side surfaces 1h in FIG. 1 (b) are baked surfaces as shown in FIG. 2 (b). . In FIG. 2B, the surface of the piezoelectric ceramic plate 1 shown in FIG. 1A is observed from obliquely above the main surface 1c so that the rectangular main surface 1c and the first side surface 1d can be confirmed. It is the transmission electron microscope (SEM) photograph which carried out.

焼き上げ面とは、図2(b)に示したように、焼成後に切断または研磨などの加工をしていない面である。また、図2(b)に示す形態では、一対の第2側面1e、一対の主面1cについても焼き上げ面であり、全周が焼き上げ面である。焼き上げ面である側面を単に焼き上げ側面という。   As shown in FIG. 2B, the baked surface is a surface that is not cut or polished after firing. In the form shown in FIG. 2B, the pair of second side surfaces 1e and the pair of main surfaces 1c are also baked surfaces, and the entire circumference is a baked surface. A side that is a baked surface is simply called a baked side.

そして、図3(a)、(b)に示すように、主面1cの面重心G近傍(一点鎖線で囲まれた領域の内側)に位置する結晶粒子2の平均粒径をD1、焼き上げ側面(1d、1h)近傍(破線で囲まれた領域の外側)に位置する結晶粒子2の平均粒径をD2とする。本実施形態の圧電磁器板1では、D1に対するD2の比(D2/D1)が0.9〜1.1の範囲である。   3 (a) and 3 (b), the average particle diameter of the crystal particles 2 located in the vicinity of the surface gravity center G of the main surface 1c (inside the region surrounded by the alternate long and short dash line) is D1, and the baked side surface Let D2 be the average particle diameter of the crystal grains 2 located in the vicinity of (1d, 1h) (outside the area surrounded by the broken line). In the piezoelectric ceramic plate 1 of the present embodiment, the ratio of D2 to D1 (D2 / D1) is in the range of 0.9 to 1.1.

ここで、主面1cの面重心G近傍とは、面重心Gからの距離Lgが、面重心Gと焼き上げ側面(1d、1h)との距離Loに対し、50%以内の領域とする。また、焼き上げ側面(1d、1h)近傍とは、面重心Gからの距離Lfが、面重心Gと焼き上げ側面(1d、1h)との距離Loに対し、90%以上の領域であるものとする。   Here, the vicinity of the surface gravity center G of the main surface 1c is a region where the distance Lg from the surface gravity center G is within 50% of the distance Lo between the surface gravity center G and the baked side surfaces (1d, 1h). The vicinity of the baked side surface (1d, 1h) is a region where the distance Lf from the surface centroid G is 90% or more with respect to the distance Lo between the surface centroid G and the baked side surface (1d, 1h). .

結晶粒子2の平均粒径は、例えば圧電磁器板1の断面または表面を走査型電子顕微鏡(
SEM)でたとえば倍率3000倍で観察し、撮影した写真を画像処理して算出すればよい。なお、圧電磁器板1の断面または表面は、必要に応じ、研磨加工、および粒界エッチング加工(サーマルエッチング、ケミカルエッチング)などの処理を施してもよい。
The average particle diameter of the crystal particles 2 is determined by, for example, scanning a cross section or surface of the piezoelectric ceramic plate 1 with a scanning electron microscope (
For example, the image may be calculated by observing with a SEM) at a magnification of, for example, 3000 times and processing the photographed image. The cross section or surface of the piezoelectric ceramic plate 1 may be subjected to processing such as polishing and grain boundary etching (thermal etching, chemical etching) as necessary.

なお、D1は主面1cの面重心G近傍の少なくとも一部の領域について測定すればよく、D2は焼き上げ側面近傍の少なくとも一部の領域について測定すればよい。なお、圧電磁器板1が複数の焼き上げ側面を有する場合は、それぞれの焼き上げ側面近傍の、少なくとも一部の領域について平均粒径を測定し、それをさらに平均したものをD2としてもよい。   Note that D1 may be measured for at least a part of the vicinity of the center of gravity G of the main surface 1c, and D2 may be measured for at least a part of the vicinity of the baked side surface. In addition, when the piezoelectric ceramic plate 1 has a plurality of baked side surfaces, the average particle diameter is measured for at least a part of the region near each baked side surface, and the average of the average particle size may be D2.

本実施形態の圧電磁器板1は、換言すれば、結晶粒子2の平均粒径が測定位置によらず均一である。すなわち、圧電磁器板1全体が均等に焼結しているため、焼結状態(焼成収縮)の差に起因する変形が小さい。したがって、切断や研磨等の加工をせずとも、所定の形状、寸法に制御でき、簡単に正確な形状、寸法の圧電磁器板1が得られる。その結果、製造コストも低減できる。また、焼成後に加工を必要としないため、薄い圧電磁器板1の欠け、割れ等の破損を低減できる。   In other words, in the piezoelectric ceramic plate 1 of the present embodiment, the average particle diameter of the crystal particles 2 is uniform regardless of the measurement position. That is, since the entire piezoelectric ceramic plate 1 is uniformly sintered, deformation due to the difference in the sintered state (firing shrinkage) is small. Therefore, the piezoelectric ceramic plate 1 having a precise shape and dimensions can be obtained easily without being cut or polished. As a result, the manufacturing cost can be reduced. Moreover, since processing is not required after firing, breakage such as chipping or cracking of the thin piezoelectric ceramic plate 1 can be reduced.

<面方向の変形>
本実施形態の圧電磁器板1は、主面1cの面方向(xy方向)の変形が小さいものとなる。例えば、図4(a)に示すように、主面1cが四角形状の圧電磁器板1の、焼き上げ側面である第1側面1dの長さ方向(x軸方向)の中央における一対の第1側面1d間の長さをLcとし、第1側面1dの長さ方向(x軸方向)の端における一対の第1側面1d間の長さをLeとし、LeとLcとの差をΔLとする。このとき、本実施形態の圧電磁器板1では、Lcに対するΔLの比率(ΔL/Lc)を1.0%以下、0.2%以下、特には0.1%以下とすることができる。
<Deformation in the surface direction>
The piezoelectric ceramic plate 1 of the present embodiment has a small deformation in the surface direction (xy direction) of the main surface 1c. For example, as shown in FIG. 4 (a), a pair of first side surfaces at the center in the length direction (x-axis direction) of the first side surface 1d of the piezoceramic plate 1 having a square main surface 1c as a baked side surface. The length between 1d is Lc, the length between a pair of first side surfaces 1d at the end in the length direction (x-axis direction) of the first side surface 1d is Le, and the difference between Le and Lc is ΔL. At this time, in the piezoelectric ceramic plate 1 of the present embodiment, the ratio of ΔL to Lc (ΔL / Lc) can be 1.0% or less, 0.2% or less, particularly 0.1% or less.

なお、差ΔLは正の値になるように、長い方から短い方を差し引いた値、すなわちLeとLcとの差の絶対値である。第1側面1d間の長さは、例えばノギスまたは画像寸法測定器(CNC画像測定器など)で測定できる。   The difference ΔL is a value obtained by subtracting the shorter one from the longer one so as to be a positive value, that is, the absolute value of the difference between Le and Lc. The length between the first side surfaces 1d can be measured by, for example, a caliper or an image size measuring device (such as a CNC image measuring device).

具体的には、図4(a)に二点鎖線で示すように、圧電磁器板1の主面1cにおける一方の辺1aの両端間を結ぶ直線を引き、この直線上における辺1aの両端の中点に対して垂線C(一点鎖線)を引き、この垂線Cと、主面1cにおける一対の辺1aとが交差する点を求め、これらの交差する点の間の長さをLcとする。また、一方の辺1aの両端のいずれかに位置し、垂線Cに平行な線Eを引き、この線Eと一対の辺1aとが交差する点を求め、これらの交差する点の間の長さをLeとする。   Specifically, as shown by a two-dot chain line in FIG. 4A, a straight line connecting both ends of one side 1a of the main surface 1c of the piezoelectric ceramic plate 1 is drawn, and both ends of the side 1a on this straight line are drawn. A perpendicular line C (one-dot chain line) is drawn with respect to the middle point, a point where the perpendicular line C intersects with a pair of sides 1a on the main surface 1c is obtained, and a length between these intersecting points is defined as Lc. Further, a line E that is located at either end of one side 1a and is parallel to the perpendicular C is drawn, and a point where the line E intersects with the pair of sides 1a is obtained, and the length between these intersecting points is determined. Let Le be Le.

<厚さ方向の変形>
また、本実施形態の圧電磁器板1は、反りが小さく、平面度に優れたもの、すなわち厚さ方向(z方向)の変形が小さいものとなる。平面度は、主面1c全面の形状(凹凸)を測定し、その最大値と最小値との差をΔFとし、ΔFを主面の最大長さLmaxで規格化した数値(ΔF/Lmax)とする(図5を参照)。本実施形態の圧電磁器板1では、平面度を0.2%以下、特には0.1%以下とすることができる。なお、差ΔFは、凹凸の最大値から最小値を差し引いた値である。主面1c全面の形状(凹凸)は、例えば、レーザー三次元測定器で測定できる。
<Deformation in the thickness direction>
Further, the piezoelectric ceramic plate 1 of the present embodiment has a small warpage and excellent flatness, that is, a deformation in the thickness direction (z direction) is small. The flatness is a numerical value (ΔF / Lmax) obtained by measuring the shape (unevenness) of the entire main surface 1c, defining the difference between the maximum value and the minimum value as ΔF, and ΔF being normalized by the maximum length Lmax of the main surface. (See FIG. 5). In the piezoelectric ceramic plate 1 of the present embodiment, the flatness can be 0.2% or less, particularly 0.1% or less. The difference ΔF is a value obtained by subtracting the minimum value from the maximum value of the unevenness. The shape (unevenness) of the entire main surface 1c can be measured by, for example, a laser three-dimensional measuring device.

D1に対するD2の比(D2/D1)が0.9より小さい、または1.1より大きい場合は、圧電磁器板1の焼結状態が均等ではなく、変形が大きくなりやすい。従来の圧電磁器板1では、主面1cの中央が焼結しやすく、外側が焼結しにくいという傾向があった。すなわち、従来の圧電磁器板1は、主面1cの中央すなわち面重心G近傍の粒径が大きく
、外側すなわち焼き上げ側面近傍の粒径が小さいものとなり、D2/D1が0.9より小さくなる傾向があった。
When the ratio of D2 to D1 (D2 / D1) is smaller than 0.9 or larger than 1.1, the sintered state of the piezoelectric ceramic plate 1 is not uniform, and deformation tends to increase. In the conventional piezoelectric ceramic plate 1, there is a tendency that the center of the main surface 1c is easy to sinter and the outside is difficult to sinter. That is, the conventional piezoelectric ceramic plate 1 has a large particle size near the center of the main surface 1c, that is, near the center of gravity G, and a small particle size near the outside, that is, near the baked side surface, and D2 / D1 tends to be smaller than 0.9. was there.

これは、従来の圧電磁器板1に含まれている焼結を促進する成分の蒸気圧が高く、焼結過程でこれらの成分が圧電磁器板1の表面から脱離しやすいためである。特に、主面1c以外にも側面1d、1e、1hに隣接するこれらの側面近傍では、主面1cだけでなくこれらの側面からも焼結を促進する成分が脱離するため、焼結が進みにくく、結果として面重心Gの近傍では焼結が進んで粒成長が生じ、側面近傍では粒成長が生じず、D2/D1が0.9より小さくなっていた。これは、上記の焼結を促進する成分が、組成の微妙な違いにより液相生成温度がずれて焼結に時間を要し、液相の分布に上記のような分布が生じることに起因すると考えられる。   This is because the vapor pressure of components that promote the sintering contained in the conventional piezoelectric ceramic plate 1 is high, and these components are easily detached from the surface of the piezoelectric ceramic plate 1 during the sintering process. In particular, in addition to the main surface 1c, in the vicinity of these side surfaces adjacent to the side surfaces 1d, 1e, and 1h, the components that promote sintering are desorbed not only from the main surface 1c but also from these side surfaces. As a result, sintering progressed near the center of gravity G of the surface and grain growth occurred, and no grain growth occurred near the side surface, and D2 / D1 was smaller than 0.9. This is due to the fact that the above-mentioned component that promotes sintering causes the liquid phase generation temperature to shift due to subtle differences in the composition, so that time is required for sintering, and the above distribution is generated in the liquid phase distribution. Conceivable.

このような従来の圧電磁器板1は、四角形状であれば、例えばΔL/Lcが1%よりも大きく、変形が大きく、側面加工により形状を調整する必要がある。   If such a conventional piezoelectric ceramic plate 1 is rectangular, for example, ΔL / Lc is larger than 1%, the deformation is large, and the shape needs to be adjusted by side processing.

また、このような従来の圧電磁器板1は、例えば平面度ΔF/Lmaxが0.2%よりも大きく、他の部材と接合する際に破損したり、接合により生じた応力により所望の特性が得られないことがある。   In addition, such a conventional piezoelectric ceramic plate 1 has a flatness ΔF / Lmax larger than 0.2%, for example, and is damaged when bonded to other members or has desired characteristics due to stress generated by the bonding. It may not be obtained.

なお、図1(a)は、長方形状の一対の主面1cを有する圧電磁器板1について説明したが、図4(b)に示すように、台形状の一対の主面1cを有する圧電磁器板1や、その他の多角形状の一対の主面1cを有する圧電磁器板1であってもよいことは勿論である。また、図1(b)は、円形状の一対の主面1cを有する圧電磁器板1について説明したが、例えば楕円形状、半円形状、不定形状の一対の主面1cを有する圧電磁器板1であってもよいことは勿論である。   In addition, although Fig.1 (a) demonstrated the piezoelectric ceramic board 1 which has a pair of rectangular main surfaces 1c, as shown in FIG.4 (b), the piezoelectric ceramic which has a pair of trapezoid main surfaces 1c. Of course, it may be the piezoelectric ceramic plate 1 having the plate 1 or a pair of other polygonal main surfaces 1c. Further, FIG. 1B illustrates the piezoelectric ceramic plate 1 having a pair of circular main surfaces 1c. For example, the piezoelectric ceramic plate 1 having a pair of main surfaces 1c having an elliptical shape, a semicircular shape, and an indefinite shape. Of course, it may be.

また、図1では、一対の主面1cが焼き上げ面である場合について説明したが、焼き上げ面でなくても良い。一対の主面1cを焼き上げ面とすることで、焼成後における圧電磁器板1の主面1cの加工を不要とできる。   Moreover, although FIG. 1 demonstrated the case where a pair of main surface 1c was a baking surface, it does not need to be a baking surface. By making the pair of main surfaces 1c baked surfaces, it is possible to eliminate the processing of the main surface 1c of the piezoelectric ceramic plate 1 after firing.

また、圧電磁器板1は、主面1cの面積が360mm以上である場合でも、(D2/D1)が0.9〜1.1の範囲であり、さらには、主面1cの面積が1000mm以上である場合でも、(D2/D1)が0.9〜1.1の範囲であるものがよい。さらに、圧電磁器板1は、内部電極を有しない場合には、上記のように主面1cの面積が360mm以上、さらには1000mm以上であるとともに、厚みが50μm以下、さらには30μm以下の場合でも、(D2/D1)が0.9〜1.1の範囲であるものがよい。 Further, the piezoelectric ceramic plate 1 has (D2 / D1) in the range of 0.9 to 1.1 even when the area of the main surface 1c is 360 mm 2 or more, and further, the area of the main surface 1c is 1000 mm. Even when it is 2 or more, (D2 / D1) is preferably in the range of 0.9 to 1.1. Furthermore, when the piezoelectric ceramic plate 1 does not have an internal electrode, the area of the main surface 1c is 360 mm 2 or more, further 1000 mm 2 or more as described above, and the thickness is 50 μm or less, and further 30 μm or less. Even in this case, it is preferable that (D2 / D1) is in the range of 0.9 to 1.1.

(板状基体、電子部品)
図6は、電子部品の第1の実施形態を示すもので、この電子部品は、圧電磁器板1内に内部電極5を有する板状基体8を具備している。そして、板状基体8表面に形成された複数の表面電極10と、ビアホール導体11とを具備している。ビアホール導体11は、内部電極5に接続され、圧電磁器板1の厚み方向(z軸方向)に延びて板状基体8表面に引き出されている。そして、圧電磁器板1は、一対の第1側面1d、および一対の第2側面1eが、それぞれ焼き上げ面である。
(Plate substrate, electronic parts)
FIG. 6 shows a first embodiment of an electronic component. This electronic component includes a plate-like substrate 8 having an internal electrode 5 in a piezoelectric ceramic plate 1. A plurality of surface electrodes 10 formed on the surface of the plate-like substrate 8 and via-hole conductors 11 are provided. The via-hole conductor 11 is connected to the internal electrode 5, extends in the thickness direction (z-axis direction) of the piezoelectric ceramic plate 1, and is drawn to the surface of the plate-like substrate 8. In the piezoelectric ceramic plate 1, the pair of first side surfaces 1d and the pair of second side surfaces 1e are baked surfaces, respectively.

すなわち、第1の実施形態では、圧電磁器板1の第1側面1d、第2側面1eが焼き上げ面であり、さらに、圧電磁器板1の主面1cも焼き上げ面とされている。なお、圧電磁器板1の側面1d、1eは、2層の圧電磁器層9の側面で構成されているが、外見からは確認できず、一体となって圧電磁器板1の側面1d、1eを構成している。圧電磁器層9の境界は、内部電極5が境界となるため、内部電極5の積層数で圧電磁器層9の積層数を
確認できる。
That is, in the first embodiment, the first side surface 1d and the second side surface 1e of the piezoelectric ceramic plate 1 are baked surfaces, and the main surface 1c of the piezoelectric ceramic plate 1 is also a baked surface. The side surfaces 1d and 1e of the piezoelectric ceramic plate 1 are configured by the two side surfaces of the piezoelectric ceramic layer 9, but cannot be confirmed from the outside, and the side surfaces 1d and 1e of the piezoelectric ceramic plate 1 are integrally formed. It is composed. Since the boundary of the piezoelectric ceramic layer 9 is the internal electrode 5, the number of piezoelectric ceramic layers 9 can be confirmed by the number of stacked internal electrodes 5.

このような電子部品では、板状基体8の表面に引き出されたビアホール導体11と表面電極10とを介して、表面電極10と内部電極5との間に電圧が印加される。なお、図6(a)ではビアホール導体11の記載を省略した。   In such an electronic component, a voltage is applied between the surface electrode 10 and the internal electrode 5 via the via-hole conductor 11 drawn to the surface of the plate-like substrate 8 and the surface electrode 10. In FIG. 6A, the illustration of the via-hole conductor 11 is omitted.

圧電磁器板1の主面1cの面積は、360mm以上、さらには1000mm以上であり、また、内部電極5を有する、圧電磁器板1の厚さは、150μm以下、100μm以下、60μm以下、さらには50μm以下である。また、平面視したときの内部電極5の面積は、圧電磁器板1の主面1cの面積と同等であってもよい。なお、ここでいう内部電極5の面積とは、内部電極の専有面積ではなく、内部電極が存在する領域の輪郭内部の面積であり、内部電極内部に存在する空洞などを含む面積である。また、内部電極が存在する領域の周りに内部電極が存在しない領域(いわゆるマージン部)が存在してもよい。 The area of the main surface 1c of the piezoelectric ceramic plate 1 is 360 mm 2 or more, further 1000 mm 2 or more, and the thickness of the piezoelectric ceramic plate 1 having the internal electrode 5 is 150 μm or less, 100 μm or less, 60 μm or less, Furthermore, it is 50 μm or less. Further, the area of the internal electrode 5 in plan view may be equal to the area of the main surface 1 c of the piezoelectric ceramic plate 1. The area of the internal electrode 5 here is not the area occupied by the internal electrode but the area inside the outline of the region where the internal electrode is present, and is the area including the cavity and the like existing inside the internal electrode. In addition, a region where no internal electrode exists (so-called margin portion) may exist around a region where the internal electrode exists.

第1の実施形態でも、図3に示したように、主面1cの面重心G近傍に位置する結晶粒子2の平均粒径D1と、焼き上げ側面(1d、1e)近傍に位置する結晶粒子2の平均粒径D2とが、D1に対するD2の比(D2/D1)にして0.9〜1.1の範囲である。   Also in the first embodiment, as shown in FIG. 3, the average particle diameter D1 of the crystal particles 2 located in the vicinity of the surface gravity center G of the main surface 1c and the crystal particles 2 located in the vicinity of the baked side surfaces (1d, 1e). The average particle diameter D2 is in the range of 0.9 to 1.1 in the ratio of D2 to D1 (D2 / D1).

従来の圧電磁器板1を用いて、例えば40mm×30mm、厚さ40μmの電子部品を作製すると、D2/D1が、0.9よりも小さく、例えば0.87以下となり、焼き上げでΔLが200μmより大きく、またはΔFが100μmより大きくなり、焼成後に加工が必要であった。   For example, when an electronic component having a thickness of 40 mm × 30 mm and a thickness of 40 μm is manufactured using the conventional piezoelectric ceramic plate 1, D2 / D1 is smaller than 0.9, for example, 0.87 or less, and ΔL is 200 μm after baking. Larger or ΔF was larger than 100 μm, and processing was necessary after firing.

一方、本実施形態の圧電磁器板1を用いた電子部品の場合は、D2/D1が、0.9〜1.1の範囲である。その結果、圧電磁器板1の焼成後におけるΔLが200μm以下となってΔL/Lcが1.0%以下となり、主面1cの面方向(xy方向)の変形が小さくなる。また、圧電磁器板1の焼成後におけるΔFが100μm以下となってΔF/Lmaxが0.2%以下となり、厚さ方向(z方向)の変形が小さく、反りの小さい平面度に優れたものとなる。したがって、第1の実施形態の電子部品は、焼成後に加工する必要がない。このように、本実施形態の電子部品は、焼成後の変形が少ないため、焼成後に加工することなく所望の形状・寸法の電子部品が得られ、製造コストも低減できる。また、加工による割れ、欠け等も低減できる。   On the other hand, in the case of an electronic component using the piezoelectric ceramic plate 1 of the present embodiment, D2 / D1 is in the range of 0.9 to 1.1. As a result, ΔL after firing of the piezoelectric ceramic plate 1 is 200 μm or less, ΔL / Lc is 1.0% or less, and deformation in the surface direction (xy direction) of the main surface 1 c is reduced. Further, ΔF after firing of the piezoelectric ceramic plate 1 is 100 μm or less, ΔF / Lmax is 0.2% or less, deformation in the thickness direction (z direction) is small, and flatness with small warpage is excellent. Become. Therefore, the electronic component of the first embodiment does not need to be processed after firing. Thus, since the electronic component of this embodiment has few deformations after firing, an electronic component having a desired shape and size can be obtained without being processed after firing, and the manufacturing cost can be reduced. In addition, cracks, chips and the like due to processing can be reduced.

電子部品は、3層以上の圧電磁器層9および2層以上の内部電極5を備えていてもよい。   The electronic component may include three or more piezoelectric ceramic layers 9 and two or more internal electrodes 5.

図7は、電子部品の第2の実施形態を示すもので、板状基体8と、内部電極5に交互に接続する一対の外部電極17とを具備する。一対の外部電極17は、圧電磁器板1の対向する第2側面1eに配置されている。圧電磁器板1の、外部電極17が配置される一対の第2側面1eは、加工面とされている。これらの加工面には、外部電極17が配置され、内部電極5と外部電極17とが接続されている。加工面とは、焼き上げ面を加工した面であり、切断面、研磨面等である。   FIG. 7 shows a second embodiment of the electronic component, which includes a plate-like substrate 8 and a pair of external electrodes 17 that are alternately connected to the internal electrodes 5. The pair of external electrodes 17 are arranged on the second side surface 1 e facing the piezoelectric ceramic plate 1. A pair of second side faces 1e of the piezoelectric ceramic plate 1 on which the external electrodes 17 are disposed are processed surfaces. External electrodes 17 are disposed on these processed surfaces, and the internal electrodes 5 and the external electrodes 17 are connected. The processed surface is a surface obtained by processing the baked surface, such as a cut surface or a polished surface.

加工面は、圧電磁器板1の一対の第2側面1e全体であっても良いが、第2側面1eの一部であっても良い。例えば、第2側面1eのうち、外部電極17が配置される部分を加工面としてもよい。   The processed surface may be the entire pair of second side surfaces 1e of the piezoelectric ceramic plate 1, or may be a part of the second side surface 1e. For example, a portion of the second side surface 1e where the external electrode 17 is disposed may be a processed surface.

一方、外部電極17が配置されていない、圧電磁器板1の一対の第1側面1dは焼き上げ面とされている。   On the other hand, the pair of first side surfaces 1d of the piezoelectric ceramic plate 1 where the external electrode 17 is not disposed are baked surfaces.

内部電極5は、図7(b)に示すように、圧電磁器層9上の一部に形成された部分電極とされており、内部電極5の一部が圧電磁器板1の第2側面1eに露出し、外部電極17と接続している。   As shown in FIG. 7B, the internal electrode 5 is a partial electrode formed on a part of the piezoelectric ceramic layer 9, and a part of the internal electrode 5 is the second side surface 1 e of the piezoelectric ceramic plate 1. And is connected to the external electrode 17.

そして、図6の電子部品と同様、第2の実施形態でも、圧電磁器板1の主面1cの面重心G近傍に位置する結晶粒子2の平均粒径D1と、焼き上げ側面(1d)近傍に位置する結晶粒子2の平均粒径D2とが、D1に対するD2の比(D2/D1)にして0.9〜1.1の範囲である。   As in the case of the electronic component of FIG. 6, in the second embodiment, the average particle diameter D1 of the crystal particles 2 located in the vicinity of the center of gravity G of the principal surface 1c of the piezoelectric ceramic plate 1 and the vicinity of the baked side surface (1d) The average particle diameter D2 of the positioned crystal particles 2 is in the range of 0.9 to 1.1 in terms of the ratio of D2 to D1 (D2 / D1).

第2の実施形態の電子部品においても、圧電磁器板1の焼成後におけるΔL/Lcが1.0%以下となり、主面1cの面方向(xy方向)の変形が小さくなる。また、圧電磁器板1の焼成後におけるΔF/Lmaxが0.2%以下となり、厚さ方向(z方向)の変形が小さく、反りの小さい平面度に優れたものとなる。これにより、圧電磁器板1の第1側面1dの加工を不要とすることができ、容易に正確な形状、寸法の電子部品が得られ、製造コストも低減できる。   Also in the electronic component of the second embodiment, ΔL / Lc after firing the piezoelectric ceramic plate 1 is 1.0% or less, and deformation in the surface direction (xy direction) of the main surface 1c is reduced. Further, ΔF / Lmax after firing of the piezoelectric ceramic plate 1 is 0.2% or less, the deformation in the thickness direction (z direction) is small, and the flatness with small warpage is excellent. Thereby, the processing of the first side surface 1d of the piezoelectric ceramic plate 1 can be eliminated, an electronic component having an accurate shape and size can be easily obtained, and the manufacturing cost can be reduced.

図6、7の電子部品では、内部電極5がAgを主成分としており、AgのほかにPdを40質量%以下、35質量%以下、さらには30質量%以下の範囲で含有していてもよい。   6 and 7, the internal electrode 5 is mainly composed of Ag, and in addition to Ag, Pd may be contained in a range of 40% by mass or less, 35% by mass or less, and further 30% by mass or less. Good.

(圧電磁器板材料)
本実施形態の圧電磁器板1は、緻密性という点から、気孔率が0.6%以下であることが好ましい。このように緻密な圧電磁器板1とすることで、機械的損失を小さくすることができ、圧電特性の劣化やばらつきの少ない圧電磁器板1となる。
(Piezoelectric ceramic plate material)
The piezoelectric ceramic plate 1 of the present embodiment preferably has a porosity of 0.6% or less from the viewpoint of denseness. By using the dense piezoelectric ceramic plate 1 as described above, the mechanical loss can be reduced, and the piezoelectric ceramic plate 1 with less deterioration and variation in piezoelectric characteristics is obtained.

圧電磁器板1(圧電磁器層9)を構成する圧電材料としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛等(以下、単にPZT系ともいう)の鉛系圧電材料、ビスマス層状構造を有するもの(SrBiTi15など、SBT系)、ペロブスカイト構造を有するチタン酸バリウム系(BaTiOなど、BT系)、ニオブ酸アルカリ系((KNa)NbO、KNN系)などの非鉛系圧電材料などが挙げられる。 As a piezoelectric material constituting the piezoelectric ceramic plate 1 (piezoelectric ceramic layer 9), for example, a lead-based piezoelectric material such as lead zirconate titanate (hereinafter also simply referred to as PZT-based), a material having a bismuth layer structure (SrBi 4 Ti such as 4 O 15, SBT-based), barium titanate having a perovskite structure like a non-lead-based piezoelectric material, such as (such as BaTiO 3, BT-based), alkali niobate-based ((KNa) NbO 3, KNN-based) It is done.

特に、ZnおよびCuのうちいずれか1種と、Biとを含むチタン酸ジルコン酸鉛系(PZT系)の圧電材料、およびLi、Ta、およびBiを含むニオブ酸アルカリ系((KNa)NbO、KNN系)の圧電材料は、比較的低い焼成温度で均等に焼結させることができ、優れた圧電特性を示す。換言すれば、本実施形態の圧電磁器板1を構成する結晶粒子2を、ZnおよびCuのうちいずれか1種と、Biとを含むチタン酸ジルコン酸鉛系(PZT系)の結晶粒子2、またはLi、Ta、およびBiを含むニオブ酸アルカリ系((KNa)NbO、KNN系)の結晶粒子2とすることでD1に対するD2の比(D2/D1)を0.9〜1.1の範囲とすることができる。 In particular, a lead zirconate titanate-based (PZT) -type piezoelectric material containing any one of Zn and Cu and Bi, and an alkali niobate-based ((KNa) NbO 3 ) containing Li, Ta, and Bi. , KNN) piezoelectric material can be uniformly sintered at a relatively low firing temperature and exhibits excellent piezoelectric properties. In other words, the crystal particles 2 constituting the piezoelectric ceramic plate 1 of the present embodiment are composed of any one of Zn and Cu, and lead zirconate titanate (PZT) crystal particles 2 containing Bi. Alternatively, the ratio (D2 / D1) of D2 to D1 is 0.9 to 1.1 by using crystal particles 2 of an alkali niobate ((KNa) NbO 3 , KNN) containing Li, Ta, and Bi. It can be a range.

このようなPZT系の結晶粒子2、またはKNN系の結晶粒子2は、いずれも複合ペロブスカイト型化合物である。結晶粒子2がPZT系の場合であれば、金属成分としてPb、Zr、Ti、Zn、CuおよびBiのほか、Sb、Ni、Nbを含んでいてもよい。また、さらに必要に応じSrおよびBaのうち少なくともいずれか一種を含んでいてもよい。結晶粒子2がKNN系の場合であれば、金属成分としてK、Na、Nb、Li、Ta、およびBiのほか、Mg、Cu、Fe、Zn、Ti、Zr、Hf、Ge、Sn、およびCeのうち少なくともいずれか一種を含んでいてもよい。また、さらに必要に応じSb、Mnを含んでいてもよい。   Such PZT-based crystal particles 2 or KNN-based crystal particles 2 are both composite perovskite compounds. If the crystal particle 2 is a PZT system, it may contain Sb, Ni and Nb in addition to Pb, Zr, Ti, Zn, Cu and Bi as a metal component. Further, at least one of Sr and Ba may be included as necessary. In the case where the crystal particle 2 is a KNN system, Mg, Cu, Fe, Zn, Ti, Zr, Hf, Ge, Sn, and Ce in addition to K, Na, Nb, Li, Ta, and Bi as metal components At least one of them may be included. Further, Sb and Mn may be included as necessary.

(PZT系圧電材料)
上述のPZT系の圧電材料について、詳細に説明する。上述のPZT系の圧電材料は、LiやB等を含む非晶質相やPZT系結晶以外の結晶相(異相)が結晶粒界3に実質的に存在しない。そのため、これらの残留に起因する絶縁抵抗の経時的変化や圧電特性の低下が小さいものとなる。
(PZT piezoelectric material)
The PZT-based piezoelectric material will be described in detail. In the PZT-based piezoelectric material described above, an amorphous phase containing Li, B, or the like, or a crystal phase (heterophase) other than the PZT-based crystal does not substantially exist at the crystal grain boundary 3. Therefore, the change with time of the insulation resistance and the deterioration of the piezoelectric characteristics due to these residuals are small.

PZT系の圧電材料は、安定した絶縁抵抗や圧電特性を維持するという点から、PZT系の結晶粒子2からなり、PZT系結晶以外の結晶相、すなわち圧電特性や絶縁抵抗の低い結晶相を実質的に含まないことが好ましい。PZT系結晶以外の結晶相(以下、異相という)を実質的に含まないとは、透過型電子顕微鏡(TEM)にて格子像に異相が見られない、または、断面のCukα線を用いたX線回折(XRD)測定において、PZT系結晶に由来するピークのみが認められ、それ以外の異相に由来するピークが実質的に存在しないことをいう。   The PZT-based piezoelectric material is composed of PZT-based crystal particles 2 from the viewpoint of maintaining stable insulation resistance and piezoelectric characteristics, and has a crystal phase other than PZT-based crystals, that is, a crystal phase having low piezoelectric characteristics and insulation resistance. It is preferably not included. A crystal phase other than the PZT crystal (hereinafter referred to as a heterogeneous phase) substantially does not include a heterogeneous phase in a lattice image by a transmission electron microscope (TEM), or X using a cross-sectional Cukα ray. In a line diffraction (XRD) measurement, only the peak derived from a PZT type | system | group crystal | crystallization is recognized, and it says that the peak derived from other hetero phases does not exist substantially.

なお、Cukα線を用いたX線回折測定において、PZT系結晶以外の異相に由来するピークが実質的に存在しないとは、PZT系結晶の(111)の回折ピーク強度を100とした場合、異相の回折ピーク強度が3以下であることをいう。回折ピーク強度は、X線回折(XRD)測定で得られた回折プロファイルにおいて、回折ピークの両側に接線を引き、この接線に対して垂直方向のピークまでの長さで表される。PZT系結晶の(111)の回折ピーク強度を100としたとき、圧電特性や絶縁抵抗の低いPZT系結晶相以外の結晶相(異相)のピーク強度が、PZT系結晶の(111)の回折ピーク強度に対して3以下であれば、圧電磁器板1の圧電特性に大きな影響を及ぼすことなく好適に使用できる。   In addition, in the X-ray diffraction measurement using Cukα rays, the fact that a peak derived from a different phase other than the PZT crystal does not substantially exist means that the (111) diffraction peak intensity of the PZT crystal is 100. Means that the diffraction peak intensity is 3 or less. The diffraction peak intensity is represented by the length to the peak perpendicular to the tangent line, with tangent lines drawn on both sides of the diffraction peak in the diffraction profile obtained by X-ray diffraction (XRD) measurement. Assuming that the (111) diffraction peak intensity of the PZT crystal is 100, the peak intensity of the crystal phase (heterophase) other than the PZT crystal phase with low piezoelectric characteristics and insulation resistance is the (111) diffraction peak of the PZT crystal. If it is 3 or less with respect to strength, it can be suitably used without greatly affecting the piezoelectric characteristics of the piezoelectric ceramic plate 1.

また、PZT系の圧電材料は、Li、Naなどのアルカリ金属元素及びB(ホウ素)を実質的に含まないことが好ましい。PZT系の圧電材料を低温焼成する際に、Li、Naなどのアルカリ金属元素及びB(ホウ素)を添加すると、液相が形成され焼結性が向上するが、PZT系結晶の結晶粒子2の結晶粒界3に非晶質相やPZT系結晶以外の結晶相が残留し、絶縁抵抗が経時的に低下したり、圧電特性が低下する懸念がある。なお、Li、Naなどのアルカリ金属元素及びB(ホウ素)は、不純物として不可避的に含まれる場合もある。したがって、Li、Naなどのアルカリ金属元素及びB(ホウ素)を実質的に含まないとは、圧電磁器板1の製造過程においてこれらの元素を積極的に添加しないことを意味する。   Moreover, it is preferable that the PZT-based piezoelectric material does not substantially contain an alkali metal element such as Li or Na and B (boron). When an alkali metal element such as Li or Na and B (boron) are added when firing a PZT-based piezoelectric material at a low temperature, a liquid phase is formed and the sinterability is improved. There is a concern that an amorphous phase or a crystal phase other than the PZT crystal remains in the crystal grain boundary 3 and the insulation resistance is lowered with time or the piezoelectric characteristics are lowered. Note that alkali metal elements such as Li and Na and B (boron) may be inevitably contained as impurities. Therefore, substantially not containing alkali metal elements such as Li and Na and B (boron) means that these elements are not actively added in the manufacturing process of the piezoelectric ceramic plate 1.

PZT系の圧電材料を用いた場合、圧電磁器板1における結晶粒子2の平均粒径は、1.0〜4.0μmであることが好ましい。結晶粒子2の平均粒径が小さすぎると圧電特性が低下し、大きすぎるとヒステリシスが大きくなって電子部品として駆動した際に発熱しやすくなる。結晶粒子2の平均粒径を1.0〜4.0μmの範囲とすることで、必要な圧電特性を維持するとともに電子部品として駆動した際の発熱が抑制できる。   When a PZT-based piezoelectric material is used, the average particle size of the crystal particles 2 in the piezoelectric ceramic plate 1 is preferably 1.0 to 4.0 μm. If the average particle size of the crystal particles 2 is too small, the piezoelectric characteristics are deteriorated. If the average particle size is too large, the hysteresis is increased, and heat is easily generated when driven as an electronic component. By setting the average particle size of the crystal particles 2 in the range of 1.0 to 4.0 μm, it is possible to maintain necessary piezoelectric characteristics and suppress heat generation when driven as an electronic component.

PZT系圧電材料の組成は、たとえば、以下のような組成式(1)で表されるPZT系第1成分、および、Bi酸化物と、必要に応じZn酸化物およびCu酸化物のうち少なくともいずれか1種とを含むPZT系第2成分により表される。PZT系第1成分の組成式において、M1はCuおよびNiのうち少なくともいずれか一方の元素を示す。
PZT系第1成分:
Pb1−x−ySrBaTi1−a−b−c(Zn1/3Sb2/3(M11/3Nb2/3Zr・・・(1)
なお、PZT系第1成分の組成式(1)において、x、y、a、b、cは、以下の関係式を満たす。
The composition of the PZT-based piezoelectric material is, for example, at least one of a PZT-based first component represented by the following composition formula (1), Bi oxide, and Zn oxide and Cu oxide as necessary. It is represented by a PZT-based second component containing one of these. In the composition formula of the PZT-based first component, M1 represents at least one element of Cu and Ni.
PZT first component:
Pb 1-x-y Sr x Ba y Ti 1-a-b-c (Zn 1/3 Sb 2/3) a (M1 1/3 Nb 2/3) b Zr c O 3 ··· (1)
In the composition formula (1) of the PZT first component, x, y, a, b, and c satisfy the following relational expressions.

0≦x≦0.14、
0≦y≦0.14(ただし、x+y≧0.04)、
0.01≦a≦0.12、
0≦b≦0.015
0.42≦c≦0.58、
ここで、PbのSrによる置換量xを0≦x≦0.14としたのは、Pbの一部をSrで置換することによりキュリー温度を高く維持できるからである。また、PbのBaによる置換量yを0≦y≦0.14としたのは、Pbの一部をBaで置換することによりキュリー温度を高く維持でき、高い圧電歪定数d31を得ることができるからである。
0 ≦ x ≦ 0.14,
0 ≦ y ≦ 0.14 (where x + y ≧ 0.04),
0.01 ≦ a ≦ 0.12,
0 ≦ b ≦ 0.015
0.42 ≦ c ≦ 0.58,
Here, the reason why the substitution amount x of Pb with Sr is set to 0 ≦ x ≦ 0.14 is that the Curie temperature can be kept high by replacing a part of Pb with Sr. The reason why the substitution amount y of Pb with Ba is set to 0 ≦ y ≦ 0.14 is that the Curie temperature can be kept high by replacing a part of Pb with Ba, and a high piezoelectric strain constant d 31 can be obtained. Because it can.

また、Tiの(Zn1/3Sb2/3)による置換量aを0.01≦a≦0.12としたのは、大きな圧電歪定数d31および圧電出力定数g31が得られ、キュリー温度を高く維持し、誘電損失を小さく維持できるからである。本実施形態の圧電磁器板1を圧電アクチュエータとして用いる場合には、0.05≦a≦0.12とすることにより大きな圧電歪定数を得ることができ、圧電センサとして用いる場合には0.01≦a≦0.05とすることにより大きな圧電出力定数g31を得ることができる。 Moreover, the reason why the substitution amount a of Ti with (Zn 1/3 Sb 2/3 ) is set to 0.01 ≦ a ≦ 0.12 is that a large piezoelectric strain constant d 31 and a piezoelectric output constant g 31 are obtained. This is because the temperature can be kept high and the dielectric loss can be kept small. When the piezoelectric ceramic plate 1 of the present embodiment is used as a piezoelectric actuator, a large piezoelectric strain constant can be obtained by setting 0.05 ≦ a ≦ 0.12, and 0.01% when used as a piezoelectric sensor. By setting ≦ a ≦ 0.05, a large piezoelectric output constant g 31 can be obtained.

Tiの(M11/3Nb2/3)による置換量bを0≦b≦0.015とすることで、圧電d定数の低下を抑制しながら抗電界を大きくすることができる。M1としてはNi、Cuを用いるが、Cuを用いた場合、特に高い圧電d定数を維持しつつ、抗電界の大きな圧電磁器板1とすることができ、変位の劣化を抑制することができる。bは0.002≦b≦0.01とすることが特に好ましい。 When the substitution amount b of Ti by (M1 1/3 Nb 2/3 ) is 0 ≦ b ≦ 0.015, the coercive electric field can be increased while suppressing the decrease in the piezoelectric d constant. Ni and Cu are used as M1, but when Cu is used, the piezoelectric ceramic plate 1 having a large coercive electric field can be obtained while maintaining a particularly high piezoelectric d constant, and deterioration of displacement can be suppressed. b is particularly preferably 0.002 ≦ b ≦ 0.01.

PZTには、PbZrOとPbTiOとの固溶比率により結晶構造が変化する境界を含む領域、いわゆるMPB(Morphotropic phase boundary、組成相境界)が存在する
。MPBでは圧電歪定数が極大値を示す。本実施形態の圧電磁器板1を圧電アクチュエータとして用いる場合には、このMPB及びその近傍の組成を用いることになる。このMPBはx、y、a、bの値により変化するため、cの値はx、y、a、bの組成範囲内でMPBを捉えうる組成範囲である。
PZT has a so-called MPB (Morphotropic phase boundary) region including a boundary where the crystal structure changes depending on the solid solution ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 . In MPB, the piezoelectric strain constant shows a maximum value. When the piezoelectric ceramic plate 1 of this embodiment is used as a piezoelectric actuator, this MPB and the composition in the vicinity thereof are used. Since this MPB varies depending on the values of x, y, a, and b, the value of c is a composition range in which MPB can be captured within the composition range of x, y, a, and b.

また、PZT系第1成分100質量%に対するPZT系第2成分の質量比をα%と表したとき、αは0.1以上2.0以下である。なお、αはPZT系第2成分である、Bi、ZnおよびCuをそれぞれ酸化物換算(Bi、ZnOおよびCuO)した合量とするが、ZnとBiの複合酸化物(たとえばBi38ZnO58、Bi38ZnO60、Bi48ZnO73およびBiZnOなど)やCuとBiの複合酸化物(例えばCuBi、Cu21Bi52100、Cu0.62Bi7.3811.69およびBiCuOなど)に換算した量であってもよい。 Moreover, when the mass ratio of the PZT second component to 100% by mass of the PZT first component is expressed as α%, α is 0.1 or more and 2.0 or less. Note that α is the total amount of Bi, Zn, and Cu, which are PZT-based second components, converted to oxides (Bi 2 O 3 , ZnO, and CuO), respectively, but is a composite oxide of Zn and Bi (for example, Bi 38 ZnO 58 , Bi 38 ZnO 60 , Bi 48 ZnO 73 and BiZnO) and Cu and Bi composite oxides (for example, CuBi 2 O 4 , Cu 21 Bi 52 O 100 , Cu 0.62 Bi 7.38 O 11.69). And BiCuO, etc.).

PZT系第1成分に対するPZT系第2成分(Zn酸化物、Cu酸化物およびBi酸化物)の質量比α(%)を、0.1≦α≦2.0の範囲とすることで、PZT系第2成分が焼成時に液相を形成してPZT系結晶である結晶粒子2を濡らす。このとき、PZT系第2成分は、組成が微妙に異なっても液相生成温度の差が小さく、短時間で液相が生成され、焼結性が向上して磁器全体が均一に焼結する。その結果、D2/D1が0.9〜1.1の範囲となる、すなわち結晶粒子2の平均粒径が測定位置によらず均一となり、肉厚が薄く面積の大きい板状の圧電磁器板1でも変形を少なくできる。これは、圧電磁器板1が焼結した後、液相を形成したPZT系第2成分(Zn、CuおよびBi)が、PZT系結晶内に固溶するからである。   By setting the mass ratio α (%) of the PZT second component (Zn oxide, Cu oxide and Bi oxide) to the PZT first component in the range of 0.1 ≦ α ≦ 2.0, PZT The system second component forms a liquid phase during firing and wets the crystal particles 2 that are PZT crystals. At this time, even if the composition of the PZT-based second component is slightly different, the difference in the liquid phase generation temperature is small, the liquid phase is generated in a short time, the sinterability is improved, and the entire ceramic is sintered uniformly. . As a result, D2 / D1 is in the range of 0.9 to 1.1, that is, the average grain size of the crystal grains 2 is uniform regardless of the measurement position, and the plate-like piezoelectric ceramic plate 1 having a small thickness and a large area. But deformation can be reduced. This is because, after the piezoelectric ceramic plate 1 is sintered, the PZT-based second component (Zn, Cu and Bi) that has formed a liquid phase is dissolved in the PZT-based crystal.

(KNN系圧電材料)
上述のKNN系の圧電材料について、詳細に説明する。上述のKNN系の圧電材料を用いた場合、圧電磁器板1における結晶粒子の平均粒径は、0.3〜2.0μmであること
が好ましい。結晶粒子の平均粒径が小さすぎると圧電特性が低下し、大きすぎるとヒステリシスが大きくなって電子部品として駆動した際に発熱しやすくなる。結晶粒子の平均粒径を0.3〜2.0μmの範囲とすることで、必要な圧電特性を維持するとともに電子部品として駆動した際の発熱が抑制できる。
(KNN piezoelectric material)
The above-described KNN-based piezoelectric material will be described in detail. When the above-described KNN-based piezoelectric material is used, the average particle size of the crystal particles in the piezoelectric ceramic plate 1 is preferably 0.3 to 2.0 μm. If the average particle size of the crystal particles is too small, the piezoelectric characteristics are deteriorated. If the average particle size is too large, the hysteresis is increased, and heat is easily generated when the electronic component is driven. By setting the average particle size of the crystal particles in the range of 0.3 to 2.0 μm, it is possible to maintain necessary piezoelectric characteristics and suppress heat generation when driven as an electronic component.

KNN系圧電材料の組成は、たとえば、以下のような組成式(2)で表されるKNN系第1成分、および、Bi酸化物、M2の酸化物と、必要に応じM3の酸化物とを含むKNN系第2成分により表される。
KNN系第1成分:
{(K1−dNa1−eLi(Nb1−g−hTaSb)O・・・(2)
なお、KNN系第1成分の組成式(2)において、d、e、f、g、hは、以下の関係式を満たす。
The composition of the KNN piezoelectric material includes, for example, a KNN first component represented by the following composition formula (2), a Bi oxide, an oxide of M2, and an oxide of M3 as necessary. It is represented by the KNN second component contained.
KNN first component:
{(K 1-d Na d ) 1-e Li e} f (Nb 1-g-h Ta g Sb h) O 3 ··· (2)
In the composition formula (2) of the KNN first component, d, e, f, g, and h satisfy the following relational expressions.

0.50≦d≦0.54、
0.02≦e≦0.06、
0.980≦f≦1.005
0.04≦g≦0.15
0≦h≦0.10、
KNNは、ペロブスカイト構造を有し、KNbOとNaNbOとの固溶比率により結晶構造が変化する境界を含む領域、いわゆるMPB(Morphotoropic Phase Boundary)が存在する。MPBでは圧電歪定数が極大値を示す。
0.50 ≦ d ≦ 0.54,
0.02 ≦ e ≦ 0.06,
0.980 ≦ f ≦ 1.005
0.04 ≦ g ≦ 0.15
0 ≦ h ≦ 0.10,
KNN has a perovskite structure, and there is a so-called MPB (Morphotoropic Phase Boundary) region including a boundary where the crystal structure changes depending on the solid solution ratio between KNbO 3 and NaNbO 3 . In MPB, the piezoelectric strain constant shows a maximum value.

すなわち、KNN系第1成分の組成式(2)において、dを0.50≦d≦0.54の範囲とし、Kの一部をNaで置換することにより、圧電定数を高くすることができる。   That is, in the composition formula (2) of the KNN first component, the piezoelectric constant can be increased by substituting Na with a part of K in the range of 0.50 ≦ d ≦ 0.54. .

また、eを0.02以上とし、LiをAサイトに導入することにより、圧電磁器板1の焼結性を高めることができ、eを0.02≦e≦0.06の範囲とすることにより、圧電定数を高くすることができる。   Moreover, e can be made 0.02 or more, and Li can be introduced into the A site to improve the sinterability of the piezoelectric ceramic plate 1, and e should be in the range of 0.02 ≦ e ≦ 0.06. Thus, the piezoelectric constant can be increased.

gを0.04≦g≦0.15の範囲としたのは、Nbの一部をTaで置換することにより圧電定数を高くすることができるためである。なお、gが0.15を超えると圧電定数が低下し、さらにキュリー温度が低下する懸念がある。   The reason why g is in the range of 0.04 ≦ g ≦ 0.15 is that the piezoelectric constant can be increased by replacing part of Nb with Ta. Note that when g exceeds 0.15, the piezoelectric constant decreases and the Curie temperature may decrease.

hを0≦h≦0.10の範囲としたのは、必要に応じてNbの一部をSbで置換することにより焼結性を向上することができるためである。なお、hが0.10を超えると焼結性が低下するおそれがある。   The reason why h is in the range of 0 ≦ h ≦ 0.10 is that sinterability can be improved by substituting a part of Nb with Sb as necessary. In addition, when h exceeds 0.10, there exists a possibility that sinterability may fall.

fは、0.980≦f≦1.005の範囲とする。これは、ペロブスカイト構造のAサイト原子がBサイト原子に対して、0.980よりも少い、または1.005を超えて過剰に含まれると、圧電特性が低下する懸念があるからである。   f is in the range of 0.980 ≦ f ≦ 1.005. This is because if the A site atom of the perovskite structure is less than 0.980 with respect to the B site atom or excessively contained exceeding 1.005, the piezoelectric characteristics may be deteriorated.

KNN系第2成分は、以下の組成式(3)で表される。
KNN系第2成分:
Bi(M21−jM3)O・・・(3)
なお、KNN系第2成分の組成式(3)において、i、jは以下の関係式を満たす。
The KNN second component is represented by the following composition formula (3).
KNN second component:
Bi i (M2 1-j M3 j ) O 3 (3)
In the composition formula (3) of the KNN second component, i and j satisfy the following relational expression.

2/3≦i≦1、
1/3≦j≦2/3、
また、KNN系第1成分とKNN第2成分との合量に対する、KNN系第2成分のモル
比率をβとしたとき、βは0.001以上0.005以下である。
2/3 ≦ i ≦ 1,
1/3 ≦ j ≦ 2/3,
Further, when the molar ratio of the KNN-based second component to the total amount of the KNN-based first component and the KNN-based second component is β, β is 0.001 or more and 0.005 or less.

KNN系第2成分は、複合ペロブスカイト構造を有するBi複合酸化物を構成する。Biは6s2孤立電子対を持つため、結晶構造に大きな歪を有する。このBi複合酸化物をKNN系第1成分に所定量導入することにより、ニオブ酸カリウム・ナトリウムの結晶構造に歪みが導入されて分極が大きくなり、圧電特性が向上する。また、同時に、圧電特性の温度依存性を小さくすることが可能となる。なお、Biを含有する化合物は比較的低温で液相を生成するため、KNN系第1成分の合成粉末に、Bi複合酸化物を形成するKNN系第2成分となる酸化物を助剤として導入することにより、圧電磁器の焼成温度が低下し、また焼結性が向上して、磁器全体を均一に焼結することができる。   The KNN second component constitutes a Bi composite oxide having a composite perovskite structure. Since Bi has 6s2 lone electron pairs, it has a large distortion in the crystal structure. By introducing a predetermined amount of this Bi composite oxide into the KNN-based first component, strain is introduced into the crystal structure of potassium niobate / sodium niobate, polarization increases, and piezoelectric characteristics are improved. At the same time, the temperature dependence of the piezoelectric characteristics can be reduced. In addition, since a compound containing Bi generates a liquid phase at a relatively low temperature, an oxide serving as a KNN second component for forming a Bi composite oxide is introduced as an auxiliary agent into the synthetic powder of the KNN first component. By doing so, the firing temperature of the piezoelectric ceramic is lowered, the sinterability is improved, and the entire porcelain can be sintered uniformly.

KNN系第2成分におけるM2は、Mg、Cu、FeおよびZnからなる元素群のから選ばれる少なくとも1種、M3は、Nb、Ta、Sb、Ti、Zr、Hf、Ge、SnおよびCeからなる元素群から選ばれる少なくとも1種である。M2、M3をこのような元素群から選択することにより、圧電定数が大きくても圧電特性の温度依存性が小さく、広い温度範囲にわたって高く安定した圧電特性を得ることができる。   M2 in the KNN second component is at least one selected from the group consisting of Mg, Cu, Fe and Zn, and M3 is composed of Nb, Ta, Sb, Ti, Zr, Hf, Ge, Sn and Ce. It is at least one selected from the element group. By selecting M2 and M3 from such an element group, even if the piezoelectric constant is large, the temperature dependence of the piezoelectric characteristics is small, and high and stable piezoelectric characteristics can be obtained over a wide temperature range.

ここで、iは、2/3≦i≦1の範囲である。iをこのような範囲とすることにより、KNN結晶粒子にBi複合酸化物を過不足なく取り込むことができる。なお、iが2/3よりも小さくなると、圧電特性が低下するおそれがあり、iが1よりも大きくなると、過剰なBiが粒界に残存し、圧電磁器板1の絶縁性が劣化するおそれがある。   Here, i is in the range of 2/3 ≦ i ≦ 1. By setting i in such a range, the Bi composite oxide can be incorporated into the KNN crystal particles without excess or deficiency. If i is smaller than 2/3, the piezoelectric characteristics may be deteriorated. If i is larger than 1, excessive Bi may remain at the grain boundary, and the insulating property of the piezoelectric ceramic plate 1 may be deteriorated. There is.

M2はMg、Cu、FeおよびZnからなる元素群から選ばれる少なくとも1種であり、M3は、Nb、Ta、Sb、Ti、Zr、Hf、Ge、SnおよびCeからなる元素群から選ばれる少なくとも1種である。これらは、酸素との6配位状態において、Nbと同程度のイオン半径を有している。   M2 is at least one selected from the group consisting of Mg, Cu, Fe and Zn, and M3 is at least selected from the group consisting of Nb, Ta, Sb, Ti, Zr, Hf, Ge, Sn and Ce. One type. These have an ionic radius comparable to that of Nb in a six-coordinate state with oxygen.

jは1/3≦j≦2/3の範囲である。jをこのような範囲とすることにより、M2とM3の比率を化学量論比の範囲内とすることができる。なお、M2とM3の比率が化学量論比から著しくずれると、酸素空孔が形成され、圧電特性が低下するおそれがある。   j is in the range of 1/3 ≦ j ≦ 2/3. By setting j in such a range, the ratio of M2 and M3 can be within the range of the stoichiometric ratio. If the ratio of M2 and M3 deviates significantly from the stoichiometric ratio, oxygen vacancies are formed, and the piezoelectric characteristics may be deteriorated.

なお、M3が5価のイオンとなる元素、すなわちNb、TaおよびSbのうち少なくともいずれか1種の元素である場合は、i+jを4/3とすることにより、M2とM3とを化学量論比の範囲内とすることができ、好ましい。また、M3が4価のイオンとなる元素、すなわちTi、Zr、Hf、Ge、SnおよびCeのうち少なくともいずれか1種である場合は、jを1/2とすることにより、M2とM3とを化学量論比の範囲内とすることができ、好ましい。   When M3 is an element that becomes a pentavalent ion, that is, at least one of Nb, Ta, and Sb, i + j is set to 4/3, so that M2 and M3 are stoichiometrically. It can be within the range of the ratio, and is preferable. In addition, when M3 is an element that becomes a tetravalent ion, that is, at least one of Ti, Zr, Hf, Ge, Sn, and Ce, by reducing j to 1/2, M2 and M3 Can be within the stoichiometric range.

このように、KNN系第1成分のペロブスカイト構造に、KNN系第2成分であるBi複合酸化物の歪みの大きい複合ペロブスカイト構造を導入することで、圧電定数を高めるとともに圧電特性の温度依存性を小さくすることができる。また同時に、圧電磁器の焼成温度が低下し、焼結性が向上して、磁器全体を均一に焼結させることができる。その結果、D2/D1が0.9〜1.1の範囲となる、すなわち結晶粒子2の平均粒径が測定位置によらず均一となり、肉厚が薄く面積の大きい板状の圧電磁器板1でも変形を少なくできる。これは、圧電磁器板1が焼結した後、液相を形成したKNN系第2成分(Bi複合酸化物を形成する成分)が、KNN系結晶内に固溶するからである。   In this way, by introducing the composite perovskite structure having a large strain of the Bi composite oxide which is the KNN second component into the KNN first component perovskite structure, the piezoelectric constant is increased and the temperature dependence of the piezoelectric characteristics is increased. Can be small. At the same time, the firing temperature of the piezoelectric ceramic is lowered, the sinterability is improved, and the entire porcelain can be sintered uniformly. As a result, D2 / D1 is in the range of 0.9 to 1.1, that is, the average grain size of the crystal grains 2 is uniform regardless of the measurement position, and the plate-like piezoelectric ceramic plate 1 having a small thickness and a large area. But deformation can be reduced. This is because after the piezoelectric ceramic plate 1 is sintered, the KNN second component (the component forming the Bi composite oxide) that has formed a liquid phase is dissolved in the KNN crystal.

KNN系第1成分とKNN系第2成分との合量に対する、KNN系第2成分のモル比率βは、0.001≦β≦0.005である。βをこのような範囲とすることで、ニオブ酸カリウム・ナトリウムのペロブスカイト構造に適度な歪みが導入され、圧電定数を高める
ことができる。なお、βが0.001より小さいと所望の効果が得られず、βが0.005より大きいと導入された歪が大きくなりすぎて圧電特性が低下する。
The molar ratio β of the KNN second component to the total amount of the KNN first component and the KNN second component is 0.001 ≦ β ≦ 0.005. By setting β in such a range, moderate strain is introduced into the perovskite structure of potassium niobate and sodium, and the piezoelectric constant can be increased. If β is smaller than 0.001, the desired effect cannot be obtained. If β is larger than 0.005, the introduced strain becomes too large, and the piezoelectric characteristics are deteriorated.

さらに、KNN系圧電材料は、KNN系第1成分およびKNN系第2成分の合量100質量部に対して、MnO換算で0.50質量部以下のMnを含有していてもよい。これにより圧電磁器板1をより緻密なものとすることができ、さらに圧電定数を高めることができる。 Furthermore, the KNN piezoelectric material may contain 0.50 parts by mass or less of Mn in terms of MnO 2 with respect to 100 parts by mass of the total amount of the KNN first component and the KNN second component. Thereby, the piezoelectric ceramic plate 1 can be made denser, and the piezoelectric constant can be further increased.

(製法)
本実施形態の圧電磁器板1は、以下のようにして作製することができる。例えば、PZT系圧電材料を用いた場合、PZT系第1成分を含む仮焼粉末と、PZT系第2成分(Zn酸化物、Cu酸化物およびBi酸化物)を含む粉末との混合原料を、周知のシート成形法で成形し、グリーンシートを得る。KNN系圧電材料を用いた場合、KNN系第1成分を含む仮焼粉末と、KNN系第2成分(Bi酸化物、M2の酸化物、および必要に応じM3の酸化物)を含む粉末との混合原料を、周知のシート成形法で成形し、グリーンシートを得る。
(Manufacturing method)
The piezoelectric ceramic plate 1 of the present embodiment can be manufactured as follows. For example, when a PZT-based piezoelectric material is used, a mixed raw material of a calcined powder containing a PZT-based first component and a powder containing a PZT-based second component (Zn oxide, Cu oxide, and Bi oxide) A green sheet is obtained by molding by a known sheet molding method. When a KNN piezoelectric material is used, a calcined powder containing a KNN first component and a powder containing a KNN second component (Bi oxide, M2 oxide, and optionally M3 oxide) The mixed raw material is formed by a known sheet forming method to obtain a green sheet.

電子部品を作製する場合は、上記グリーンシートに内部電極ペーストを塗布して内部電極パターンを形成する。内部電極パターンが形成されたグリーンシートを複数積層し、最後に内部電極パターンが形成されていないグリーンシートを積層して板状基体成形体を作製し、この板状基体成形体を、PZT系材料の場合大気中で900〜1050℃、KNN系材料の場合大気中で1000〜1150℃で焼成する。   When producing an electronic component, an internal electrode paste is applied to the green sheet to form an internal electrode pattern. A plurality of green sheets on which internal electrode patterns are formed are stacked, and finally a green sheet on which no internal electrode patterns are formed is stacked to produce a plate-shaped substrate molded body. In the case of, firing is performed at 900 to 1050 ° C. in the atmosphere, and in the case of a KNN material, firing is performed at 1000 to 1150 ° C. in the atmosphere.

このような製法では、PZT系圧電材料の場合、900〜1050℃の低温で焼成したとしても、PZT系第2成分(Zn酸化物、Cu酸化物およびBi酸化物)が、例えば750℃程度の低温で液相を形成し、焼成温度よりも低い温度でPZT系結晶の結晶粒子2を十分に濡らすことができる。また、KNN系圧電材料の場合も1000〜1150℃で焼成することで、Biを含むKNN系第2成分が低い温度で液相を形成し、焼成温度よりも低い温度でKNN系の結晶粒子を十分に濡らすことができる。これにより、圧電磁器板1の焼結性を向上できるとともに、圧電磁器板1全体がほぼ均一に収縮し、焼結後には各第1成分の結晶内に各第2成分の元素が固溶する。   In such a manufacturing method, in the case of a PZT-based piezoelectric material, even if firing at a low temperature of 900 to 1050 ° C., the PZT-based second component (Zn oxide, Cu oxide and Bi oxide) is, for example, about 750 ° C. A liquid phase is formed at a low temperature, and the crystal particles 2 of the PZT crystal can be sufficiently wetted at a temperature lower than the firing temperature. Also, in the case of a KNN-based piezoelectric material, by firing at 1000 to 1150 ° C., the KNN-based second component containing Bi forms a liquid phase at a low temperature, and KNN-based crystal particles are formed at a temperature lower than the firing temperature. Can be wet enough. As a result, the sinterability of the piezoelectric ceramic plate 1 can be improved, the entire piezoelectric ceramic plate 1 contracts substantially uniformly, and the elements of the second components are dissolved in the crystals of the first components after sintering. .

焼結後の圧電体磁器板1は、図2に示したように、主として結晶粒子2からなり、D2/D1が0.9〜1.1の範囲となる。   As shown in FIG. 2, the sintered piezoelectric ceramic plate 1 is mainly composed of crystal particles 2 and D2 / D1 is in the range of 0.9 to 1.1.

より具体的な製法について説明する。先ず、PZT系圧電材料ではPZT系1成分を含む仮焼粉末、KNN系圧電材料ではKNN系第1成分を含む仮焼粉末を作製する。   A more specific production method will be described. First, a calcined powder containing a PZT-based one component is prepared for a PZT-based piezoelectric material, and a calcined powder containing a KNN-based first component is prepared for a KNN-based piezoelectric material.

具体的には、例えば、PZT系圧電材料の場合、原料としてPbO、ZrO、TiO、ZnOの各粉末、および必要に応じてSb、CuO、NiO、Nb、SrCOおよびBaCOの各粉末を秤量混合する。KNN系圧電材料の場合、原料としてNaCO、KCO、LiCO、Nb、Taの各粉末、および必要に応じてSb粉末を秤量混合する。 Specifically, for example, in the case of a PZT-based piezoelectric material, PbO, ZrO 2 , TiO 2 , ZnO powders as raw materials, and Sb 2 O 3 , CuO, NiO, Nb 2 O 5 , SrCO 3 as necessary. And BaCO 3 powders are weighed and mixed. In the case of a KNN-based piezoelectric material, weighed and mixed Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 powders as necessary and Sb 2 O 3 powder as required To do.

次いで、この混合物を脱水、乾燥した後、PZT系圧電材料は850〜950℃、KNN系圧電材料は900〜1000℃の最高温度にて1〜3時間仮焼する。このようにしてPZT系の第1成分からなる仮焼粉末、KNN系の第1成分からなる仮焼粉末を得る。得られた仮焼粉末を、再びボールミル等で粉砕し、例えば、平均粒径D50が0.3〜0.7μmの範囲になるようにする。 Next, this mixture is dehydrated and dried, and then calcined at a maximum temperature of 850 to 950 ° C. for the PZT piezoelectric material and 900 to 1000 ° C. for the KNN piezoelectric material for 1 to 3 hours. In this way, a calcined powder composed of a PZT-based first component and a calcined powder composed of a KNN-based first component are obtained. The obtained calcined powder is pulverized again with a ball mill or the like so that, for example, the average particle diameter D 50 is in the range of 0.3 to 0.7 μm.

次に、PZT系の仮焼粉末には、PZT系の第2成分(Zn酸化物、Cu酸化物およびBi酸化物、例えばZnO、CuOおよびBi)の粉末を秤量して混合する。KNN系の仮焼粉末には、KNN系の第2成分(Bi酸化物、M2の酸化物、および必要に応じM3の酸化物)の粉末を秤量して混合する。これらの第2成分は、各々の粉末を仮焼粉末にそれぞれ添加してもよいし、第2成分のみをあらかじめ混合した混合粉末を、仮焼粉末に添加してもよい。 Next, PZT-based calcined powder is weighed and mixed with PZT-based second component (Zn oxide, Cu oxide, and Bi oxide, such as ZnO, CuO, and Bi 2 O 3 ) powders. The KNN-based calcined powder is weighed and mixed with the powder of the second KNN-based component (Bi oxide, M2 oxide, and optionally M3 oxide). Each of these second components may be added to the calcined powder, or a mixed powder obtained by mixing only the second component in advance may be added to the calcined powder.

また、第2成分を仮焼して第2成分の複合酸化物(以下、第2複合酸化物という)を合成し、仮焼粉末に添加してもよい。PZT系の第2複合酸化物を合成する場合は、所定量のZn酸化物、Cu酸化物およびBi酸化物を混合し、得られた混合物を脱水、乾燥した後、たとえば空気中において600〜720℃で1〜3時間仮焼すればよい。なお、第2成分の平均粒径D50は0.3〜0.7μmの範囲とすればよく、特に仮焼粉末の平均粒径(D50)よりも小さくなるようにボールミル等を用いて調整することが好ましい。 Alternatively, the second component may be calcined to synthesize a composite oxide of the second component (hereinafter referred to as a second composite oxide) and added to the calcined powder. When synthesizing the PZT-based second composite oxide, a predetermined amount of Zn oxide, Cu oxide and Bi oxide are mixed, and the resulting mixture is dehydrated and dried, and then, for example, 600 to 720 in air. What is necessary is just to calcine at 1 degreeC for 1-3 hours. The average particle diameter D 50 of the second component may be in the range of 0.3 to 0.7 μm, and is adjusted by using a ball mill or the like so as to be smaller than the average particle diameter (D 50 ) of the calcined powder. It is preferable to do.

第2成分を添加した仮焼粉末は、バインダを混合した後、周知の成形法、例えばプレス成形や、ドクターブレード法などのシート成形法などを用いて所望の形状に成形する。   The calcined powder to which the second component has been added is mixed with a binder and then formed into a desired shape using a known forming method such as press forming or a sheet forming method such as a doctor blade method.

板状基体8や電子部品は、以下のように作製する。成形したグリーンシートに、内部電極ペーストを塗布して内部電極パターンを形成する。内部電極パターンが形成されたグリーンシートを必要数積層し、最後に内部電極パターンが形成されていないグリーンシートを積層して板状基体成形体を作製する。   The plate-like substrate 8 and electronic parts are produced as follows. An internal electrode paste is applied to the formed green sheet to form an internal electrode pattern. A required number of green sheets on which internal electrode patterns are formed are stacked, and finally, green sheets on which no internal electrode patterns are formed are stacked to produce a plate-shaped substrate molded body.

作製した成形体を、大気中で、PZT系の材料は900〜1050℃、KNN系の材料は1000〜1150℃で焼成することで、圧電磁器板1、板状基体8が得られる。   The produced compact is fired at 900 to 1050 ° C. for PZT-based material and 1000 to 1150 ° C. for KNN-based material in the air, so that the piezoelectric ceramic plate 1 and the plate-like substrate 8 are obtained.

本実施形態の圧電磁器板1は、900〜1050℃(PZT系材料)や1000〜1150℃(KNN系材料)の低温で焼成したとしても、第2成分が液相を形成して結晶粒子2を濡らすことから、焼結性が高く、気孔率が0.6%以下の緻密なものとなる。   Even if the piezoelectric ceramic plate 1 of this embodiment is fired at a low temperature of 900 to 1050 ° C. (PZT-based material) or 1000 to 1150 ° C. (KNN-based material), the second component forms a liquid phase and crystal particles 2 , So that the sinterability is high and the porosity is 0.6% or less.

また、第2成分が、焼成温度よりも十分低温(PZT系第2成分の場合、750℃程度)で液相を生成し、焼成時に磁器全体が均一に焼結を開始する。したがって、結晶粒子2の平均粒径が測定位置によらず均一、すなわち主面1cの面重心G近傍に位置する結晶粒子2の平均粒径D1に対する、焼き上げ側面近傍に位置する結晶粒子2の平均粒径D2の比(D2/D1)が0.9〜1.1の範囲となり、肉厚が薄い形状でも焼結過程での圧電磁器板1の変形が生じにくくなる。   Further, the second component generates a liquid phase at a temperature sufficiently lower than the firing temperature (in the case of the PZT second component, about 750 ° C.), and the entire porcelain starts to sinter uniformly during firing. Therefore, the average particle diameter of the crystal particles 2 located in the vicinity of the baked side surface with respect to the average particle diameter D1 of the crystal particles 2 located in the vicinity of the center of gravity G of the principal surface 1c is uniform regardless of the measurement position. The ratio (D2 / D1) of the particle diameter D2 is in the range of 0.9 to 1.1, and deformation of the piezoelectric ceramic plate 1 is less likely to occur during the sintering process even if the thickness is thin.

一方、たとえばPZT系結晶を低温焼成するために、液相を形成するLiやB等を添加した場合、低温焼成はできるものの、磁器全体を均一に焼結させるのは難しく、特に薄い板状の圧電磁器板1では反りや変形が発生しやすい。   On the other hand, for example, when Li or B that forms a liquid phase is added in order to fire a PZT crystal at a low temperature, it can be fired at a low temperature, but it is difficult to uniformly sinter the entire porcelain. The piezoelectric ceramic plate 1 is likely to be warped or deformed.

本実施形態の圧電磁器板1は、特に厚さが150μm以下、特には50μm以下の電子部品に好適に用いられる。   The piezoelectric ceramic plate 1 of the present embodiment is suitably used for an electronic component having a thickness of 150 μm or less, particularly 50 μm or less.

圧電磁器板1は、セラミックフィルタ、超音波応用振動子、圧電ブザー、圧電点火ユニット、超音波モータ、圧電ファン、圧電センサ、圧電アクチュエータ等、種々の電子部品として用いることができる。例えば、圧電アクチュエータは、圧電現象を介して発生する変位や力を機械的駆動源として利用するものであり、特に最近、メカトロニクスの分野において注目されているものの一つである。圧電アクチュエータは、圧電効果を利用した固体素子であり、磁性体にコイルを巻いた構成を有する従来の電磁式アクチュエータと比較して、消費電力が少ない、応答速度が速い、変位量が大きい、発熱が少ない、寸法および
重量が小さい等の優れた特徴を有している。特に、より低電圧で、より大きな変位や発生力が得られる積層圧電アクチュエータは、車載インジェクタの燃料噴射弁の開閉用カメラのオートフォーカス用、圧電スピーカ等の音響部品として実用化されている。
The piezoelectric ceramic plate 1 can be used as various electronic components such as a ceramic filter, an ultrasonic applied vibrator, a piezoelectric buzzer, a piezoelectric ignition unit, an ultrasonic motor, a piezoelectric fan, a piezoelectric sensor, and a piezoelectric actuator. For example, a piezoelectric actuator uses a displacement or force generated through a piezoelectric phenomenon as a mechanical drive source, and is one of those that have recently attracted attention in the field of mechatronics. Piezoelectric actuators are solid-state elements that use the piezoelectric effect and consume less power, have a faster response speed, have a larger amount of displacement, and generate heat compared to conventional electromagnetic actuators that have a configuration in which a coil is wound around a magnetic material. It has excellent features such as small amount, small size and weight. In particular, a laminated piezoelectric actuator capable of obtaining a larger displacement and generating force at a lower voltage has been put to practical use as an acoustic component such as an autofocus for a camera for opening / closing a fuel injection valve of an in-vehicle injector and a piezoelectric speaker.

PZT系の原料粉末として純度99.5%のPbO、ZrO、TiO、ZnO、Sb、SrCO、BaCO、CuO、Nbの各粉末を用いた。PZT系第1成分を、組成式(1)(Pb1−x−ySrBaTi1−a−b−c(Zn1/3Sb2/3(M11/3Nb2/3Zr)において表1の組成となるように秤量し、ボールミルにて24時間湿式混合した。なお、M1はCuまたはNiである。次いで、この混合物を脱水、乾燥した後、920℃で3時間仮焼し、当該仮焼物を再びボールミルで24時間湿式粉砕し、D50が0.5〜0.7μmの仮焼粉末を得た。 PbT, ZrO 2 , TiO 2 , ZnO, Sb 2 O 3 , SrCO 3 , BaCO 3 , CuO, and Nb 2 O 5 powders having a purity of 99.5% were used as PZT-based raw material powders. The PZT-based first component, the composition formula (1) (Pb 1-x -y Sr x Ba y Ti 1-a-b-c (Zn 1/3 Sb 2/3) a (M1 1/3 Nb 2 / 3 ) It was weighed so as to have the composition shown in Table 1 in b Zr c O 3 ), and wet mixed in a ball mill for 24 hours. M1 is Cu or Ni. Next, this mixture was dehydrated and dried, then calcined at 920 ° C. for 3 hours, and the calcined product was wet-ground again with a ball mill for 24 hours to obtain a calcined powder having a D 50 of 0.5 to 0.7 μm. .

その後、D50が0.5〜0.7μmの表1に示す添加物を、PZT系第1成分100質量%に対する比率にして表1に示す量(質量%)だけ添加し、これに有機バインダを混合した。 Thereafter, the additive shown in Table 1 having a D50 of 0.5 to 0.7 μm was added in an amount (% by mass) shown in Table 1 as a ratio to 100% by mass of the PZT-based first component, and an organic binder was added thereto. Were mixed.

KNN系の原料粉末として、純度99.9%のNaCO、KCO、LiCO、Nb、Ta、Sbの各粉末用いて、KNN系第1成分が組成式(2)({(K1−dNa1−eLi(Nb1−g−hTaSb)O)において表2、3の組成となるように秤量し、ボールミルにて16時間湿式混合した。次いで、この混合物を脱水、乾燥した後、1000℃で3時間仮焼し、当該仮焼物を再びボールミルで16時間湿式粉砕し、D50が0.3〜0.7μmの仮焼粉末を得た。 As the KNN-based raw material powder, each of the 99.9% pure Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , and Sb 2 O 3 powder is used. the first component is a composition of Table 2 in the formula (2) ({(K 1 -d Na d) 1-e Li e} f (Nb 1-g-h Ta g Sb h) O 3) And wet mixed in a ball mill for 16 hours. Next, this mixture was dehydrated and dried, and then calcined at 1000 ° C. for 3 hours, and the calcined product was wet-ground again with a ball mill for 16 hours to obtain a calcined powder having a D 50 of 0.3 to 0.7 μm. .

その後、D50が0.3〜0.7μmの表2、3に示す添加物(Bi、MgCO、ZnO、CuO、Fe、TiO、SnO、ZrO、HfO、Ce、GeOおよびMnOの各粉末)を、KNN系第1成分とKNN系第2成分との合量に対するモル比率にして表2、3に示す量だけ添加し、これに有機バインダを混合した。 Thereafter, the additives shown in Tables 2 and 3 having D 50 of 0.3 to 0.7 μm (Bi 2 O 3 , MgCO 3 , ZnO, CuO, Fe 2 O 3 , TiO 2 , SnO 2 , ZrO 2 , HfO 2) , Ce 2 O 3 , GeO 2, and MnO 2 ) are added in the molar ratio to the total amount of the KNN first component and the KNN second component in the amounts shown in Tables 2 and 3, Organic binder was mixed.

得られた混合原料を用いて、ドクターブレード法により厚さ25μmのグリーンシートを作製した。作製したグリーンシートの全面に、AgとPdを含む内部電極ペーストをスクリーン印刷し、内部電極ペーストが印刷されたグリーンシートの印刷面側に、内部電極ペーストを印刷していないグリーンシートを重ねて積層し、板状基体成形体を作製した。なお、内部電極ペーストの金属成分の質量比は、Ag:Pd=7:3とした。   A green sheet having a thickness of 25 μm was produced by the doctor blade method using the obtained mixed raw material. An internal electrode paste containing Ag and Pd is screen-printed on the entire surface of the produced green sheet, and a green sheet on which the internal electrode paste is not printed is stacked on the printed surface side of the green sheet on which the internal electrode paste is printed. Thus, a plate-like substrate molded body was produced. The mass ratio of the metal components of the internal electrode paste was Ag: Pd = 7: 3.

作製した板状基体成形体の脱バインダを行った後、表1〜3に示す焼成条件にて大気中で焼成し、冷却して、板状基体を得た。   After removing the binder of the produced plate-like substrate molded body, it was fired in the air under the firing conditions shown in Tables 1 to 3 and cooled to obtain a plate-like substrate.

得られた板状基体の厚さは42μm(圧電磁器層の厚みが20μm)であり、主面が120mm×40mm(面積4800mm)の矩形板状であった。 The thickness of the obtained plate-like substrate was 42 μm (the thickness of the piezoelectric ceramic layer was 20 μm), and the main surface was a rectangular plate having a size of 120 mm × 40 mm (area 4800 mm 2 ).

得られた板状基体の一方の表面(主面)に、Agペーストを焼き付けることにより外部電極を形成し、分極処理を行うことで、圧電特性評価用の電子部品である積層圧電アクチュエータを得た。   An external electrode was formed on one surface (main surface) of the obtained plate-like substrate by baking an Ag paste, and polarization treatment was performed to obtain a laminated piezoelectric actuator that was an electronic component for evaluating piezoelectric characteristics. .

圧電磁器層の平均粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて焼き上げ面である主面の写真を撮影し、その写真を画像処理することにより求めた。画像処理では、結晶粒子の輪郭から求めた断面積の円相当径を結晶粒子の直径とみなした。D1の測定位置は板状基体の主面の面重心とした。D2の測定位置は、主面の対角線上において、面重心からの距
離Lfが、面重心から焼き上げ側面までの距離Loに対し95%の位置とした。また、SEM写真の倍率は3000倍とした。算出したD1、D2およびD2/D1を表1〜3に示す。
The average particle size of the piezoelectric ceramic layer was determined by taking a photograph of the main surface, which is a baked surface, using a scanning electron microscope (SEM) and subjecting the photograph to image processing. In the image processing, the equivalent circle diameter of the cross-sectional area obtained from the contour of the crystal particle was regarded as the diameter of the crystal particle. The measurement position of D1 was the center of gravity of the main surface of the plate-like substrate. The measurement position of D2 was a position where the distance Lf from the surface centroid on the diagonal of the main surface was 95% of the distance Lo from the surface centroid to the baked side surface. The magnification of the SEM photograph was 3000 times. The calculated D1, D2, and D2 / D1 are shown in Tables 1-3.

圧電磁器層の気孔率は、板状基体の断面を鏡面研磨し、その研磨面を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察し、圧電磁器層を撮影した写真を画像処理することにより求めた。圧電磁器層の密度は、板状基体の嵩密度をアルキメデス法により求め、その嵩密度を圧電磁器層の密度とみなした。密度および気孔率を表1〜3に示す。   The porosity of the piezoelectric ceramic layer is obtained by mirror-polishing the cross section of the plate-like substrate, observing the polished surface using a scanning electron microscope (SEM), and processing the photograph of the piezoelectric ceramic layer. It was. For the density of the piezoelectric ceramic layer, the bulk density of the plate-like substrate was determined by the Archimedes method, and the bulk density was regarded as the density of the piezoelectric ceramic layer. The density and porosity are shown in Tables 1-3.

なお、板状基体の組成をICP発光分光分析により確認したところ、圧電体層の組成は、誤差の範囲内で調合時の組成と一致していた。   When the composition of the plate substrate was confirmed by ICP emission spectroscopic analysis, the composition of the piezoelectric layer coincided with the composition at the time of preparation within the range of error.

圧電体層の絶縁抵抗の劣化試験では、85℃の恒温槽の中で、電子部品に2kV/mmの直流電界を付与した。85℃における電子部品の絶縁抵抗を測定して体積抵抗率に換算し、試験初期および100時間後における体積抵抗率を表1〜3に記載した。   In the deterioration test of the insulation resistance of the piezoelectric layer, a DC electric field of 2 kV / mm was applied to the electronic component in a constant temperature bath at 85 ° C. The insulation resistance of the electronic component at 85 ° C. was measured and converted into volume resistivity, and the volume resistivity at the initial stage of the test and after 100 hours is shown in Tables 1 to 3.

圧電特性については、分極した電子部品に120℃でエージング処理をした後、12×3mmの試験片を切り出して、試験片の上下面に構成された2つの表面電極にDC電圧を印加して分極処理を行い、長さ方向の振動モードを測定することで電子部品の圧電歪定数d31を求め表1〜3に記載した。 Regarding piezoelectric characteristics, after aging treatment was performed on a polarized electronic component at 120 ° C., a 12 × 3 mm test piece was cut out, and a DC voltage was applied to the two surface electrodes formed on the upper and lower surfaces of the test piece for polarization. It performs processing, as described in seeking tables 1-3 the piezoelectric constant d 31 of the electronic component by measuring the vibration mode in the longitudinal direction.

圧電磁器板の変形を比率(ΔL/Lc)として評価した。圧電磁器板の長さの測定はCNC画像測定器を用いて行った。また、レーザー三次元測定器(キーエンス社製)で平面度を測定し、ΔFを算出した。また、Lmaxを主面の対角線の長さとしてΔF/Lmaxを求めた。圧電磁器板のΔL/Lc、ΔF、およびΔF/Lmaxを表1〜3に示す。   The deformation of the piezoelectric ceramic plate was evaluated as a ratio (ΔL / Lc). The length of the piezoelectric ceramic plate was measured using a CNC image measuring device. Moreover, flatness was measured with a laser three-dimensional measuring device (manufactured by Keyence Corporation), and ΔF was calculated. Further, ΔF / Lmax was determined with Lmax as the length of the diagonal line of the main surface. Tables 1 to 3 show ΔL / Lc, ΔF, and ΔF / Lmax of the piezoelectric ceramic plate.

表1〜3から、試料No.1〜6、9〜24では、D2/D1が0.9〜1.1の範囲内で、焼き肌側面近傍と面重心近傍とは、結晶粒子の平均粒径にほとんど差がなかった。また、変形も小さく、ΔL/Lcが1%以下、ΔF/Lmaxが0.2%以下であり、焼成後における加工を不要、もしくは低減できることがわかる。   From Tables 1 to 3, Sample No. In 1 to 6 and 9 to 24, D2 / D1 was within a range of 0.9 to 1.1, and there was almost no difference in the average grain size of the crystal grains between the vicinity of the side surface of the grilled surface and the vicinity of the center of gravity. Further, the deformation is small, ΔL / Lc is 1% or less, and ΔF / Lmax is 0.2% or less, which indicates that the processing after firing is unnecessary or can be reduced.

1・・・圧電磁器板
1c・・・主面
1d・・・第1側面
1e・・・第2側面
2・・・結晶粒子
5・・・内部電極
7・・・外部電極
8・・・板状基体
9・・・圧電磁器層
10・・・表面電極
11・・・ビアホール導体
17・・・外部電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric ceramic board 1c ... Main surface 1d ... 1st side surface 1e ... 2nd side surface 2 ... Crystal grain 5 ... Internal electrode 7 ... External electrode 8 ... Plate Substrate 9 ... piezoelectric ceramic layer 10 ... surface electrode 11 ... via-hole conductor 17 ... external electrode

Claims (10)

複数の結晶粒子を有するとともに、
一対の主面および該主面間に位置する側面を具備し、
少なくとも一つの前記側面が焼き上げ面であり、
前記主面の面重心近傍に位置する前記結晶粒子の平均粒径をD1とし、前記焼き上げ面である前記側面の近傍に位置する前記結晶粒子の平均粒径をD2としたとき、前記D1に対する前記D2の比(D2/D1)が、0.9〜1.1の範囲である、圧電磁器板。
Having a plurality of crystal grains,
Comprising a pair of main surfaces and a side surface located between the main surfaces;
At least one of the side surfaces is a baked surface;
When the average particle diameter of the crystal particles located in the vicinity of the center of gravity of the main surface is D1, and the average particle diameter of the crystal particles located in the vicinity of the side surface that is the baked surface is D2, A piezoelectric ceramic plate having a D2 ratio (D2 / D1) in a range of 0.9 to 1.1.
前記一対の主面のうち少なくとも一方が、焼き上げ面である、請求項1に記載の圧電磁器板。   The piezoelectric ceramic plate according to claim 1, wherein at least one of the pair of main surfaces is a baked surface. 前記D1および前記D2が、0.3〜4.0μmの範囲である、請求項1または2に記載の圧電磁器板。   The piezoelectric ceramic plate according to claim 1 or 2, wherein the D1 and the D2 are in a range of 0.3 to 4.0 µm. 前記主面の面積が、360mm以上である、請求項1〜3のいずれかに記載の圧電磁器板。 The piezoelectric ceramic plate according to any one of claims 1 to 3, wherein an area of the main surface is 360 mm 2 or more. 前記主面の面積が、1000mm以上である、請求項4に記載の圧電磁器板。 The piezoelectric ceramic plate according to claim 4, wherein an area of the main surface is 1000 mm 2 or more. 厚さが150μm以下である、請求項1〜5のいずれかに記載の圧電磁器板。   The piezoelectric ceramic plate according to claim 1, wherein the thickness is 150 μm or less. 請求項1〜6のいずれかに記載の圧電磁器板内に内部電極を有する、板状基体。   A plate-like substrate having an internal electrode in the piezoelectric ceramic plate according to claim 1. 請求項7に記載の板状基体の表面に配置された表面電極と、
前記内部電極に接続され、前記圧電磁器板の厚み方向に延びて前記板状基体の表面に引き出されたビアホール導体と、を具備する、電子部品。
A surface electrode disposed on the surface of the plate-like substrate according to claim 7;
An electronic component comprising: a via-hole conductor connected to the internal electrode and extending in the thickness direction of the piezoelectric ceramic plate and drawn to the surface of the plate-like substrate.
前記側面の全てが焼き上げ面である、請求項8に記載の電子部品。   The electronic component according to claim 8, wherein all of the side surfaces are baked surfaces. 請求項7に記載の板状基体と、前記内部電極に接続された外部電極とを具備するとともに、
前記圧電磁器板が、加工面を有する前記側面を具備し、該加工面に前記外部電極が配置されている、電子部品。
While comprising the plate-like substrate according to claim 7 and an external electrode connected to the internal electrode,
The electronic component, wherein the piezoelectric ceramic plate includes the side surface having a processed surface, and the external electrode is disposed on the processed surface.
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